التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للأنظمة البيولوجية في مفاعل النظائر عالي التدفق التابع لمختبر أوك ريدج الوطني

يتم وضع التصوير الشعاعي للمغذيات والتصوير المقطعي المحوسب بشكل فريد لقياس العينات البيولوجية بسبب حساسية العناصر الغذائية لذرات الهيدروجين. الميزة الرئيسية لهذه التقنيات هي توفير خرائط ثلاثية الأبعاد غير مدمرة وغير جراحية لمحتوى الهيدروجين في عينات الأنسجة أو محتوى الماء في جذور النباتات والتربة. ينطبق التصوير بالمغذيات على العديد من مجالات البحث المختلفة ، مثل مواد الطاقة ، وعلوم المواد ، والهندسة ، والنباتات ، والتربة ، وحركات المياه ، وما إلى ذلك.

لا يمكن استخدام هذه التقنية للعلاج أو إجراء التشخيص بسبب مخاطر التعرض للإشعاع. ومع ذلك ، يمكن استخدامه لتحديد هوامش الورم في الأورام السليمة الصغيرة المقطوعة ، على سبيل المثال. أوصي الفرد المهتم بهذه التقنية بالاتصال بنا ومناقشة أسئلته البحثية.

معلوماتنا متاحة على موقعنا ، neutrons.ornl.gov. سيوضح الإجراء Yuxuan Zang ، عالم تشتت النيوترونات ، وجان بيلهو ، عالم أدوات الكمبيوتر ، وإريك سترينغفيلو ، وهو مشارك علمي من فريق التصوير لدينا. للبدء ، افتح نافذة طرفية على كمبيوتر Beamline.

اكتب CSS واضغط على Enter لتشغيل واجهة المستخدم. إذا لم يتم فتحه افتراضيا ، فاختر خيار الصفحة الرئيسية للمستخدم في علامة تبويب القائمة لفتح واجهة تصوير APEX. في علامة التبويب الأولى من الواجهة ، جهاز ProposalCameraSE ، حدد بصريات Beamline بالنقر فوق الزر البصري بجوار الكاميرا / أجهزة الكشف.

انقر فوق الزر "الشقوق" لضبط حجم فتحة الثقب وفتح نظام الشق. قم بتثبيت مرحلة الدوران على مراحل XY حيث سيتم وضع العينة. في حالة استخدام كاشف آخر غير CCD ، حدد عدسة وفقا للدقة المكانية والبعد البؤري المطلوبين.

بعد تركيز الكاميرا ، ركز الصورة على موقع وميض النيوترونات. بعد ذلك ، ضع قناع دقة ممتص للنيوترونات مقابل وميض الكاشف لضبط تركيز العدسة باستخدام النيوترونات. بعد ذلك ، باستخدام APEX ، قم بأتمتة تحريك محرك الكاشف وجمع الصور الشعاعية الزائدة باستخدام مواضع كاشف مختلفة من المرآة.

قارن الصور الشعاعية عن طريق تقييم أزواج الخطوط في أداة برمجية للصور مثل Fiji أو ImageJ. بعد ذلك ، قم بتأمين العينة في حاوية ألمنيوم مناسبة أو رقائق الألومنيوم شديدة التحمل ، وضع العينة في مرحلة الدوران في أقرب مكان ممكن من الكاشف. قم بقياس المسافة من العينة إلى الكاشف وإزالة العينة.

استبدله بقناع الدقة لتقييم حجم البكسل في موضع العينة في تكوين Beamline هذا. باستخدام بعد معلم معروف، قم بتقييم عدد وحدات البكسل عبر المعلم لتحديد حجم البكسل. أعد وضع العينة في مرحلة الدوران.

بعد ذلك ، باستخدام علامة التبويب محاذاة العينة في واجهة APEX ، قم بمحاذاة العينة مع الحزمة النيوترونية عن طريق أخذ صور شعاعية متتالية وسريعة أثناء تحرك العينة حتى تصبح في وضع الرؤية الكاملة للكاشف. احفظ ملف محاذاة العينة. قبل بدء الفحص بالتصوير المقطعي المحوسب ، انقر فوق علامة التبويب محاذاة العينة واستخدم خيار فحص دوران العينة الآلي للتحقق من بقاء العينة في مجال الرؤية بزوايا مختلفة من خلال تقييم الصور الشعاعية أثناء توليدها في اتجاهات عينة مختلفة مع الحزمة.

حدد علامة التبويب APEX الأولى المسماة جهاز ProposalCameraSE. انقر فوق الزر تبديل الاقتراح أو العينة. حدد رقم المشروع ومعرف العينة المراد قياسهما في قائمة النماذج على اليمين وقائمة المقترحات على اليسار.

استخدم سهم الرجوع للعودة إلى واجهة APEX الرئيسية. في قائمة خيارات كاشف الكاميرا، حدد الكاشف من بين أربعة كاشفات و/أو CCD و/أو sCMOS أو SBIG CCD أو MCP. في قسم جهاز بيئة العينة ، انقر فوق مرحلة الدوران ، الأشعة المقطعية.

ثم حدد إحدى مراحل الدوران التي تتوافق مع العينة المراد مسحها ضوئيا. في أسفل علامة التبويب ، حدد وضع الحصول على البيانات وحدد الشعاع الأبيض. ثم حدد علامة التبويب APEX الثانية المسماة محاذاة العينة.

اكتب نموذج اسم الملف واضغط على Enter. كرر لاسم المجلد الفرعي. افترض أن العينة محاذاة وجاهزة للتصوير المقطعي المحوسب. حدد وقت الاستحواذ المطلوب وانقر على زر التقاط صور سريعة لجمع سلسلة من الصور الشعاعية بأوقات اكتساب مختلفة.

لتقييم نسبة الإشارة إلى الضوضاء ، افتح الصور الشعاعية التي تم جمعها في ImageJ أو Fiji وارسم ملفا شخصيا ينتقل من العينة إلى منطقة مفتوحة. إذا تم تعيين عينات متعددة على مرحلة XY على مراحل دوران متعددة ، فقم بتسجيل كل موضع عينة بعد المحاذاة وانقر فوق الزر حفظ في ملف لحفظ البيانات كملف CSV. بعد ذلك ، حدد علامة التبويب APEX الثالثة بعنوان جمع البيانات لإعداد معلمات التصوير المقطعي المحوسب.

اكتب اسم ملف في السطر الأول القابل للكتابة واضغط على Enter. كرر لاسم المجلد الفرعي. في القسم محاذاة العينة باستخدام الملف المحفوظ، حدد الملف الذي سجل مسبقا مواضع محرك العينة.

انقر فوق محاذاة باستخدام ملف لجعل العينة تعود إلى موضعها في الحزمة النيوترونية. لحساب عدد الإسقاطات بناء على نظرية Nyquist ، أولا ، احسب عدد وحدات البكسل عبر البعد الأفقي للعينة واضربها في 1.5 للحصول على عدد الإسقاطات المطلوبة لتحقيق أخذ عينات Nyquist. أدخل زاوية بدء التدوير وزاوية نهاية التدوير وحجم خطوة التدوير وعدد الصور لكل خطوة ووقت التعرض لكل صورة.

ابدأ الفحص بالأشعة المقطعية بالنقر فوق الزر "جمع البيانات". على خادم تحليل Linux ، قم بالوصول إلى Imaris 3D Notebook بالنقر فوق اختصار القائمة العلوية ، التطبيقات ، ثم التحليل والتصوير وإعادة بناء التصوير المقطعي. قم بتشغيل الأسطر القليلة الأولى من الكود ، والتي ستقوم بتحميل الأدوات اللازمة لتشغيل Imaris 3D.

قم بتحميل البيانات بشكل مسطح وحقل مظلم. تحقق من تحميل مجموعات البيانات الثلاث بشكل صحيح. اقتصاص البيانات عن طريق تحديد منطقة الاهتمام في الصورة.

قم بإجراء التصفية حسب الضرورة عن طريق تشغيل التعليمات البرمجية في قسم التصفية. تابع التطبيع ، متبوعا بتصحيح تذبذب الحزمة. حدد منطقة الخلفية من الصورة ، متبوعة بالإرسال إلى التوهين.

بعد ذلك ، قم بإجراء تصحيح إمالة العينة التلقائي عن طريق حساب الإمالة باستخدام الكود وتطبيق تصحيح الإمالة. بعد ذلك ، قم بإجراء إزالة الإضراب وحساب مركز الدوران. بعد ذلك ، قم بإجراء إعادة بناء حجمي وعرض البيانات.

احفظ البيانات في مجلد رقم المشروع المسمى مشترك. بعد ذلك ، قم بتشغيل برنامج Amira على خادم تحليل المنشأة ، وقم بتحميل الشرائح المعاد بناؤها في البرنامج ، وتابع التصور والتصفية الإضافية والتحليل. تم تطوير واجهة مصممة خصيصا لتوجيه هذا البروتوكول التجريبي وتقليل الخطأ البشري.

تتحرك الواجهة منطقيا من خلال الخطوات اللازمة قبل قياس العينة. يظهر هنا التصوير المقطعي المحوسب بالنيوترون ، أو NCT ، لعظم الفخذ للفأر باستخدام غرسة من التيتانيوم. تم الحصول على NCT القائم على توهين اللون الزائف لعظم الفخذ وقطع قطري من خلال العظم للكشف عن الغرسة.

لا تتفاعل الغرسة مع النيوترونات بقدر ما تتفاعل مع مادة العظام ، لذا فإن توهينها ضئيل ويبدو أغمق من العظم المحيط. العظم التربيقي ، الموجود داخل الحيز النخاعي لعظم الفخذ ، مرئي بوضوح في الطرف القريب من العينة. تم إثبات قدرة النيوترونات على اكتشاف عينات الأنسجة الرخوة على رئة فأر مثبتة بالإيثانول.

تم الحصول على حجم الرئة المعاد بناؤه من NCT. يوضح هنا قطع الفص الأيمن للرئة. كما تم الحصول على التجسيد الحجمي للون الزائف لنظام جذر النبات والتربة في حاوية مستطيلة من الألومنيوم.

على الرغم من ضعف نسبة الإشارة إلى الضوضاء ، فإن نظام الجذر في التربة مرئي بوضوح في القطع الرأسية للعينة. من الأهمية بمكان تقييم حجم البكسل ، بحيث يمكن ترحيل الصور المسجلة إلى الأبعاد المادية. تعتمد جودة إعادة بناء حجم 3D على أخذ عينات جيدة بعد نظرية Nyquist.

يمكن إجراء تقنيات تصوير نيوترونية أكثر تقدما ، مثل قياس التداخل لتصنيف النيوترونات ، باتباع إجراء مماثل. ستجيب هذه الطرق الجديدة على أسئلة ، مثل توزيع المسامية النانوية ثلاثية الأبعاد في المواد المسامية. التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب لهما تأثير علمي واسع.

هذه التقنيات هي تطبيق وفهم البطاريات وآلية فشلها. سلوك المواد المتقدمة مثل تلك المطبوعة 3D ، وعلم الآثار ، وعلم الأحياء ، وتوطين أفضل للأورام.